矿井瓦斯与矿尘防治技术课件第2章.ppt

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1、安徽理工大学第二章：矿井瓦斯涌出模块一：煤层瓦斯流动的基本规律模块二：煤层瓦斯涌出第一部分矿井瓦斯防治技术模块三：矿井瓦斯等级鉴定模块一：煤层瓦斯流动的基本规律2.1煤层瓦斯运移2.1.1瓦斯运移保存在煤层中的瓦斯仅占形成瓦斯量的1/10。成煤过程中形成的瓦斯可分如下几个部分：(1)保存煤层中的瓦斯；(2)从煤层中运移出来，保存在围岩中的瓦斯；(3)从煤层中运移出来，溶解于地下水中瓦斯；(4)排放大气中瓦斯。2.1煤层瓦斯运移2.1.2煤层瓦斯流动1、原始煤体：瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地

2、质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平衡状态，不会发生瓦斯流动。2、采掘影响区由于采掘破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，引起瓦斯流动，形成瓦斯流动场。应响影响煤层瓦斯流动的因素很多，诸如煤层赋存条件、瓦斯压力、含量、煤层透气性以及采掘技术条件等等，但主要影响因素为瓦斯压力和煤层透气性，前者是瓦斯流动的动力，后者是瓦斯流动的阻力。2.1煤层瓦斯运移2.1.2煤层瓦斯流动瓦斯在煤层中由高压

3、流向低压，在煤层中即形成一定的流动范围——瓦斯流动场。从时间因素来看：流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场随时间而改变。煤层瓦斯流动属非稳定流动类型。从空间形态来看：瓦斯流动类型分为单向流动、径向流动和球向流动三种类型。2.1煤层瓦斯运移2.1.3煤层瓦斯流动场(1)单向流动单向流动的特点是煤层瓦斯沿单一方向流动，流线相互平行。沿煤层开掘高度大于煤层厚度的巷道后，巷道两侧煤层中的瓦斯皆沿垂直于巷道的方向流动，这种流动属单向流动。如:薄及中厚煤层掘进面,采煤工作面煤壁。2.1煤层瓦斯运移

4、2.1.3煤层瓦斯流动场瓦斯流向瓦斯流向等压瓦斯线等压瓦斯线(2)径向流动径向流动是平面流动。径向流动时，等瓦斯压力线为一组同心圆，瓦斯流线沿圆的径向发展。在煤矿井下，石门或钻孔垂直揭穿煤层时，煤层中的瓦斯流动就是径向流动。2.1煤层瓦斯运移2.1.3煤层瓦斯流动场瓦斯流场等压瓦斯线(2)球向流动球向流动的特点是等瓦斯压力线为一组同心球状，瓦斯流线沿球的径向发展。在煤矿井下属球向流动的情况很少见。石门揭特厚煤层，特厚煤层中的掘进面迎头和钻孔孔底以及煤块的瓦斯放散等都可近似地视为球向流动。2.1煤层瓦斯运移2.1.3煤层瓦斯流动场

5、2.2煤层瓦斯流动的基本定律1、渗流瓦斯沿裂隙、构造破碎带的运移方式。2、扩散运动瓦斯在小孔（＜1μm）与微孔（＜0.1μm）内运移主要是扩散运动，即瓦斯分子在其浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向运移。可用Fick定律描述，即：式中：D----扩散系数；----瓦斯浓度梯度；dt----时间增量；dm----在dt时间内通过单位面积的扩散量。2.2煤层瓦斯流动的基本定律3、煤粒扩散运动方程若煤层由服从Fick定律的煤粒组成，根据Fick定律和质量守恒定律，得煤粒扩散运动微分方程。式中：X----煤粒瓦斯含量；r----煤粒内任一

6、点半径。4、瓦斯渗透运动瓦斯在中孔（＞1μm）以上的孔隙或裂隙内，由于压差作用下而产生的运动。流态：层流，粘性力为主，Re＜1~10。紊流，惯性力为主①线性层流渗透定律----Darcy定律表述式式中：K--煤层的渗透率，m2；μ--流体的绝对粘度，Pa.S;--流体的压力梯度，Pa/m。Darcy定律适应范围讨论：a)低Re区，Re＜1~10，为线性流，符合Darcy定律；b)中Re区，Re=10~100，非线性渗流，不符合Darcy定律c)高Re区，Re＞100，紊流区。大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darcy定律。

7、VRe=102.2煤层瓦斯流动的基本定律2.2煤层瓦斯流动的基本定律②非线性渗透定律----日本式中Vn----无因次流速；a------煤的瓦斯渗透性系数；m----指数；----无因次瓦斯压力梯度。③渗透微分方程由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得：2.2煤层瓦斯流动的基本定律三、煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。1、渗透系数（k）Darecy定律，k----渗透率，表示孔隙—裂隙介质特征的参数。注：只与孔隙介质的孔隙多少、大小、形态、连通状况等有关，与流体的性质和压力无关。2、透气系数（λ）利用气体状态方程对

8、Darcy表达式进行变换得：2.2煤层瓦斯流动的基本定律即：物理意义：断面为1m2的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时，流过的流量恰为1m3/d时的介质透气性。注意：λ表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。